基于IMPATT管固态器件的太赫兹源

潘结斌，谢 斌，程怀宇

（华东光电集成器件研究所，安徽蚌埠 233030）

1 前言

太赫兹（THz）波常称为“太赫兹间隙”，频率介于0.1～10 THz之间，波长范围是 3 mm～30 μm，介于毫米波与红外光之间相当宽的电磁波谱区域，具有低能、安全、穿透、相干及光谱分辨等特性。太赫兹技术综合了电子学和光子学的特色，是一个典型的交叉前沿学科，在太赫兹成像、光谱分析、生物感知、工业领域产品质量检查、医学和药品检测、太赫兹天文学、反恐与环境监测、保密通信、空间探测、国防军事等领域具有广阔的应用前景[1～2]，将对多个应用领域带来深远影响，世界发达国家争相将THz波技术列为战略性科技研究方向[3]。

太赫兹源是太赫兹技术研究中极为关键的技术之一，太赫兹源的产生主要基于电子学、光子学和光电子学来实现。图1给出了三类技术产生太赫兹源的功率分布[4]。图1左侧是一些采用电子学技术产生的太赫兹源，通过负阻器件振荡效应或利用非线性电子元件把低频段微波源向太赫兹频段拓展，工作频率常低于1 THz，功率不到毫瓦量级，具有体积小巧、便携的优势。图1中间部分是一些采用光电子学技术形成的太赫兹源，可覆盖大部分太赫兹频段，这种太赫兹源要么在室温下工作受限，要么输出功率很低[5]。图1右侧是一些利用光子学技术产生的太赫兹源，这种源频率调谐范围宽，覆盖大部分太赫兹频段，但转换效率低、平均功率较小。

图1 各种产生太赫兹源的方法和功率分布图

从满足太赫兹技术在实际应用中的需求出发，基于电子学方法形成太赫兹源是当前太赫兹源研究领域的重要分支之一。本文介绍一种以雪崩渡越时间二极管（IMPact Avalanche Transit Time，IMPATT）为核心器件形成的太赫兹电子学固态源，工作频率达到500GHz，可在常温下工作，具有输出功率高、体积小、成本低及易于集成等优点。

2 电子学太赫兹源

随着太赫兹理论研究的深入、器件研制水平的提高、系统应用的多元化，太赫兹技术正处于飞速发展期，促进太赫兹技术进步的电子学太赫兹源，主要由真空电子学和半导体固态电子学两种方式来实现。

2.1 真空电子学太赫兹源

真空电子学太赫兹源与传统的微波电真空器件的机理一样，将电子束的能量转移给电磁场，从而使电磁场得到放大，可以用在太赫兹频域。利用微纳加工技术，采用阴极发射高能电子束，经过慢波结构、高频场的相互作用，产生速度调制和密度调制，使电子产生群聚，从而使整个电子束与场有净的能量交换，辐射出太赫兹波[5]。

真空电子学太赫兹源可产生宽频带、大输出功率的太赫兹真空辐射，输出功率（包括连续波、脉冲功率和平均功率）可达到mW～kW量级[6]。但基于电真空器件实现的太赫兹源条件复杂、体积庞大、功耗大，还需要高压电源和水冷系统，使用寿命低，制约着太赫兹波真空辐射源在低电压、小型化、便携式等领域中的应用。

2.2 固态电子学太赫兹源

随着第一代半导体Si纳米加工技术、第二代半导体GaAs、InP的异质结、超晶格技术、第三代半导体SiC、GaN宽禁带电子技术的发展，使电子学固态源工作频率可延伸至太赫兹频段[7]。三端固态电子器件InP基异质结双极晶体管（HBT）和高电子迁移率晶体管（HEMT）器件、太赫兹单片集成电路（TM IC）等工作截止频率不断提高，工作频率可以达到500 GHz左右，但这些器件的输出功率小（340 GHz频点处的输出功率只有几十μW），仅限近距离场合应用[8]。半导体二端口固态器件谐振隧道二极管(RTD)、隧道注入式渡越时间二极管 (TUNNETT)、雪崩渡越时间二极管(IMPATT)、倍频器(Multiplexer)，在振荡频率、单位面积输出功率、转换效率等高频特性方面比晶体管具有更大的优势，目前两端口器件是实现固态太赫兹源的主流方案，是电子装备固态化、小型化、相控阵化和智能化的核心器件，也是无线电通信和无线网络发展的关键器件，属于国家发展的战略资源。

3 IMPATT管器件

IMPATT管是一种反向偏压达到雪崩区产生雪崩倍增效应开始工作的新型半导体固态功率器件，是利用半导体器件结构中载流子（电子与空穴）碰撞电离和渡越时间两种物理作用导致相位延迟，从而产生与频率有关的动态负阻效应。将IMPATT管和外电路连接，当满足谐振条件时产生振荡，把直流功率转换成射频功率输出，从而构成IMPATT管源。器件工作期间，表现出复杂的非线性，与目前已知可工作在太赫兹频段的其他固态器件相比，IMPATT管输出功率高出1～2个数量级。基于脉冲和连续波工作模式的IMPATT管振荡源，在100 GHz时输出功率分别达到15 W和500 mW；300 GHz的IMPATT管脉冲振荡源输出功率约50 mW，是目前固态电子学太赫兹源产生辐射功率最大的器件[9]。

IMPATT管常用结构有双漂移区和单漂移区形式，具体应用中需根据器件静态小信号和动态大信号工作特性，结合电路边界条件，求解器件泊松方程、电子-空穴电流连续方程、电流密度方程、电子-空穴产生率及矩量方程等，获取器件小信号和大信号工作状态下的参数，为器件构成太赫兹固态源提供精确的数学模型[10]。

3.1 双漂移区结构IMPATT管等效模型

双漂移区IMPATT管由两个漂移区和一个雪崩区组成，类似于两个单漂移区IMPATT管串联，雪崩时产生的电子和空穴各自向相反方向渡越，电子和空穴都产生振荡。根据Joel.W.Gannett和Koenraad Mouthaand等对IMPATT管非线性模型的描述，器件工作时产生雪崩击穿表现出复杂的非线性等效电路模型，如图 2 所示[11～12]。

图2 双漂移区IMPATT管非线性电路模型

从图2中可以看出，器件模型复杂，每一等效元件与在器件内部的物理工作机制都有一个简单的对应关系。模型中既包含有集总非线性元件，又包含有集总和分布参数的线性元件。模型在小信号和大信号状态下器件参数变化较大。其中，Vd表示漂移区电压、Ie(t)表示受控电流，Ve表示雪崩区电压，Cd为漂移区电容，Ce为雪崩区电容。双漂移区IMPATT管的这种结构可以增大负阻、减小单位面积等效电容、增加等阻抗条件下的管芯面积、增大器件工作电压，使器件转换效率和输出功率提高。双漂移区结构IMPATT管常作为核心器件用于脉冲、连续波太赫兹固态源及注锁放大器等部件中。

3.2 单漂移区结构IMPATT管等效模型

单漂移区IMPATT管由一个漂移区和一个雪崩区组成，器件结构满足非线性器件基波和谐波相互作用条件，在一定相位下，器件在所需提取的谐波频率上呈现等效负阻，可把基波能量和其他谐波能量转化到所要输出的谐波频率上，器件工作时的非线性等效电路模型如图 3 所示[11～12]。

图3 单漂移区IMPATT管非线性电路模型

图3中Va表示雪崩区电压，Ca表示雪崩区电容，Cd表示漂移区电容，Ie(t)表示受控电流。当器件被反向雪崩击穿，在足够强的电场作用下，产生的雪崩电流波形尖锐，且集中在狭窄的雪崩区，雪崩电流含有丰富的高次谐波分量，提取相应次数的谐波便能实现所需高次谐波的输出；同时雪崩管在输出谐波频率处也具有负阻特性，有利于增大输出谐波的能量，可提高输出谐波功率、降低倍频损耗。单漂移结构IMPATT管较适宜于高次倍频工作模式，具有倍频效率高、可调带宽大、高次模振荡输出功率高等特点，常作为核心器件用于高频率、高稳定度的倍频源部件中。

3.3 IMPATT 管源振荡机理[13～14]

IMPATT管是一种负阻器件，必须同外电路（谐振腔和外部激励信号）一起使用，当IMPATT管器件和腔体等外电路满足-Z(a，θ)+Z(ω)=0的谐振条件时，IMPATT管将产生雪崩振荡，器件在谐振腔中就有稳定的功率输出。图4为器件与外电路振荡谐振等效原理图，其中 Z(a，θ)为 IMPATT 管器件阻抗，Z(ω)为外电路的负载阻抗。在振荡稳定时，不仅器件的负阻和外电路的阻抗相等，而且器件和外电路的相位相反，即器件电抗和外电路电抗相等且符号相反，当器件表现为感抗时，外电路必须为容抗。具体应用中，IMPATT管安装于特定尺寸的腔体中，腔体一端接有可调节短路活塞，另一端连有可移动负载。通过调节IMPATT管、短路活塞及移动负载在腔体中的位置，外部激励信号馈给IMPATT管的恒定电流，使注入牵引信号在腔体中产生耦合，器件有源阻抗和高频负载达到最佳匹配，满足雪崩器件相位、幅度平衡的工作机理，从而使IMPATT管在谐振腔中产生稳定的太赫兹辐射信号输出。

图4 满足IMPATT管谐振条件的等效原理图

4 基于IMPATT管的固态太赫兹源

基于IMPATT管的固态太赫兹源是通过引入外部稳频振荡、注入参考牵引信号或微波信号倍频等方式来实现的。由于碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽带隙化合物半导体(WBG)材料技术的成熟，在化合物衬底上制备IMPATT管器件，可提高器件工作电压和工作频率，增大器件的直流转换效率，为IMPATT管在太赫兹频段的高输出功率、小体积、高可靠性、低工作电压及易于集成等应用提供了契机[7]。目前，基于IMPATT管构成的高功率太赫兹固态源在应用领域广受技术人员的青睐。

4.1 IMPATT管稳频振荡方式获得的太赫兹源[10，14]

图5是基于IMPATT管的器件通过腔体内部稳频振荡或外部注入牵引信号的方式获得太赫兹固态源的原理框图。这种方式获取的太赫兹源是在IMPATT管外部恒流源的作用下，通过高品质因数稳频腔谐振频率或外部注入的高稳定信号频率，来获取稳定的太赫兹信号，然后通过隔离器输出。该种方式获取的太赫兹源体积小、可靠性高、可在室温环境下工作，输出的太赫兹波信号频率稳定度高、相位噪声低，在100GHz频率下脉冲输出功率达到15W，225GHz频率下脉冲输出功率达到200 mW。

图5 基于IMPATT管的太赫兹振荡源

4.2 基于IMPATT管的固态倍频源[12]

IMPATT管倍频源是利用单漂移区IMPATT管的高次倍频机理，把微波频段的信号经过功率放大后，利用单漂移区IMPATT管雪崩击穿过程中的非线性特性，产生达到太赫兹频段丰富的高次谐波，然后通过带通滤波器提取相应的太赫兹波信号，经隔离器输出。基于IMPATT管的倍频源构成原理框图见图6。这种获得太赫兹信号的方式同肖特基二极管相似，但肖特基二极管仅能获得基波信号的2次或4次倍频信号，而获得其他谐波信号的衰减较大；但IMPATT管可以产生基波信号的4～26倍的丰富谐波信号，谐波信号的衰减基本相同，可通过带通滤波器提取基波信号的某次倍频谐波信号，具有频率可调、工作带宽宽、室温工作、信号输出功率大等特点，应用较为广泛。

图6 基于IMPATT管的太赫兹倍频源

4.3 基于IMPATT管的噪声源

IMPATT管噪声源是通过数字信号发生器的编码来控制、触发IMPATT管的外部脉冲激励信号，使IMPATT管产生与触发器时序相同的脉冲太赫兹信号，通过带通滤波和隔离器将太赫兹噪声信号输出。其构成太赫兹源的原理框图见图7。这种太赫兹噪声源由于使用编码控制噪声源的输出信号，且能在室温下工作，具有体积小、可靠性高等优点，在太赫兹成像、探测等领域中应用广泛。

5 结束语

太赫兹技术是一门极具活力的前沿领域，应用非常广泛。太赫兹源是太赫兹技术应用中的关键技术之一，是制约太赫兹技术发展的主要因素。随着太赫兹应用领域的发展需求，太赫兹技术将朝远距离、高速率、高稳定性、小体积、低功耗等方向发展。这就要求太赫兹源具有小型化、高输出功率、低工作电压、高可靠性等特点，基于IMPATT管固态器件研制的太赫兹源工作电压低、效率高、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高，输出功率高出同类固态器件1～2个数量级，可满足未来太赫兹技术发展的需求，在小型化军事应用、高可靠性装备、空间探测、医学成像等领域具有广阔的应用前景。

图7 基于IMPATT管的太赫兹噪声源

参考文献：

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